El espacio libre como medio de comunicación: Enlaces punto a punto, vía láser


30 años desde los primeros enlaces en México



Ciencias físicas

Hace 30 años, en 1991, se estableció el primer enlace punto a punto, vía láser, entre dos edificios en Ensenada: las azoteas de Física Aplicada del CICESE y el entonces centro de cómputo de la UABC (a una distancia aproximada de 370 metros), lo que constituyó uno de los primeros ensayos exitosos (quizá el primero) de un arreglo de comunicaciones ópticas en espacio libre que se tengan registrados en México.

En esos años, para la gran mayoría del sector académico y prácticamente todo el sector privado, el desarrollo de las comunicaciones ópticas para transmitir información (datos, audio o video) estaba centrado en el uso de fibras ópticas como canal de transmisión, y prácticamente no se consideraba el espacio libre, el mismo que, eso sí, ya desde entonces estaba bastante ocupado por todo el espectro de frecuencias –y de medios de comunicación–: de radio, televisión y hoy más que nunca de internet y telefonía móvil.

Sin embargo, desde los años 70 la NASA, la Agencia Espacial Europea, la japonesa, en general las grandes agencias por no decir los militares, venían trabajando con en este tipo de comunicadores ópticos, viendo la manera en como podían adaptarlos para su utilización en satélites por su alto potencial de transmisión de información.

El asunto no es nada sencillo. El Dr. Arturo Arvizu Mondragón, investigador del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones del CICESE, señaló que a diferencia de los enlaces de comunicación que emplean radiofrecuencias, cuyas señales pueden atravesar casi cualquier objeto sólido, incluyendo paredes y edificios, la luz no puede hacer esto. Esta necesidad de estar a “línea de vista” no es el único inconveniente para un sistema en el espacio libre; se requieren además buenas condiciones atmosféricas para establecer enlaces óptimos. Sí, hay alternativas para tratar de contrarrestar los efectos de turbulencia y falta de visibilidad; en el CICESE han trabajado en eso. Se pueden también instalar los comunicadores ópticos en las partes altas de sierras y montañas, donde el aire es más limpio y permite enlazar mejor con un satélite, pero en términos generales este tipo de comunicaciones sigue dependiendo, en buena medida, de las condiciones atmosféricas.

Y más aún. En el espacio libre, apuntar un laser desde un transmisor y “atinarle” a un receptor, es algo similar a lo que tiene que hacer un francotirador con su rifle. En condiciones de batalla, el record lo tiene un soldado canadiense que abatió a un miembro de ISIS en Irak en 2017: su proyectil viajó 3 mil 540 metros. En condiciones controladas la cosa mejora; ese mismo año un soldado ruso atinó a su objetivo de 1 metro cuadrado ubicado a 4.2 kilómetros. Ahora ubiquémonos: un satélite de órbita baja se localiza a una altura que va de 500 a los 1,000 kilómetros, por lo que “atinarle” y establecer el enlace es todo un reto.

Pero tener mayor ancho de banda, mayor seguridad y bajo consumo de energía son ventajas nada despreciables de los sistemas ópticos versus radiocomunicaciones que, en contraparte, tienen mayor movilidad y flexibilidad. Además, por su gran ancho de banda y directividad, las comunicaciones ópticas en espacio libre (FSO, free space optics) están teniendo cada vez más importancia en las actuales y futuras redes de internet 5G / B5G (más allá de 5G), donde la demanda de capacidad crece exponencialmente, mientras que los tamaños de las células en ambientes urbanos son cada vez más pequeños (pico-células), lo que minimiza los efectos acumulativos en la propagación óptica atmosférica, haciéndolos una tecnología con gran aplicabilidad en las redes de comunicaciones modernas, con potencialidad de desarrollo e innovación en México. En el escenario de larga distancia, terrestre o satelital, las técnicas de conformación de haz, óptica adaptativa o de diversidad espacial, permiten operación de esos sistemas en distancias de decenas (terrestre) o centenas (satelital) de kilómetros.

Arturo Arvizu comenzó a trabajar en el CICESE en 1992. No le tocó el primer enlace entre Física Aplicada y la UABC (el mérito es del Dr. Javier Mendieta Jiménez, quien estructuró el grupo de investigación en comunicaciones ópticas del CICESE un par de años atrás), pero sí colaboró en el desarrollo de la principal carga útil del primer satélite experimental mexicano, el SATEX-1.

Primera incursión satelital: el SATEX

De hecho, diseñar y construir este microsatélite (un cubo de 50 cm por lado y 50 kilogramos de peso) fue en su momento uno de los proyectos científicos mexicanos más ambiciosos, no solo por la cantidad de instituciones, científicos y tecnólogos involucrados, sino porque se trataba del primer intento exclusivamente mexicano de incursionar en tecnologías espaciales, y uno de los primeros a nivel mundial en utilizar un sistema de comunicación óptico atmosférico en un satélite.

¿De dónde surgió el SATEX-1? A principio de los años 90 el gobierno mexicano contrató a la empresa Hughes Aircraft para que desarrollara el sistema de satélites “Solidaridad”, la segunda generación de satélites de comunicaciones mexicanos puestos en órbita (los primeros fueron los “Morelos”, en los años 80), que serían lanzados por la Agencia Espacial Europea con su cohete Ariane. Como parte de este contrato, se destinaron recursos para desarrollar un microsatélite experimental mexicano de órbita baja, el cual en su momento sería lanzado también en el Ariane como carga secundaria.

El CICESE se comprometió a desarrollar la estación terrena, los subsistemas de telemetría y comando, y la carga útil, un novedoso sistema que permitiría comunicar el SATEX (en órbita cuasi polar a 780 km de altura) con la estación terrena, en la banda Ka.

Finalmente el SATEX-1 jamás fue lanzado al espacio, pero el sistema de comunicación lo completaron íntegramente investigadores y técnicos de este centro de investigación. Como nota aparte cabe señalar que tuvieron que pasar casi 20 años para que, en 2014, un grupo japonés lograra hacer este tipo de enlace entre un satélite y una estación terrena.

“El SATEX desafortunadamente no tuvo éxito en el sentido de que no se lanzó, pero aquí en el CICESE desarrollamos infraestructura para ese tipo de sistemas. De hecho, aprendimos a hacer muchas cosas, porque en ese tiempo todo era más exigente en el sentido de que se tenía que diseñar con componentes y subsistemas calificados para vuelo; era otra filosofía’, comentó el doctor Arvizu.

En los siguientes años, el boom de los nanosatélites, CubeSat’s y demás propuestas que lograron reducir los tiempos de desarrollo y el costo de los sistemas, rompió el paradigma de que los países necesitan enormes recursos para desarrollar o adquirir los grandes satélites de comunicación que habían sido el estándar.

En México varias instituciones formaron, entre otras iniciativas, la Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología Espacial (SOMECYTA), y la red temática de Ciencia y Tecnología Espacial (REDCyTE) del CONACYT. En 2010 se creó la Agencia Espacial Mexicana (AEM) como organismo público descentralizado del gobierno mexicano, al tiempo que el sector aeroespacial crecía rápidamente (principalmente en el noroeste de México) con empresas grandes y pequeñas, clústeres regionales y otras asociaciones para negocios y educación.

En el inter surgieron propuestas para desarrollar satélites como los UNAM-Sat, el SENSAT (Self Explore Nano-Satellite), liderado por el grupo del CICESE y orientado principalmente a la formación de recursos humanos en tecnología aeroespacial, tanto para la industria como para las instituciones de educación superior de esta región (entre los subsistemas propuestos como carga útil de este satélite figuraban comunicadores láser). Otra propuesta fue el SATEX-II en el que participarían seis instituciones mexicanas para dar continuidad y concluir el proyecto en el que habían trabajado en los noventa, pero un poco más grande y con una nueva perspectiva.

En el desarrollo del SENSAT y el Satex-II participaba personal de este centro, en particular del Laboratorio de Comunicaciones Fotónicas del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones, que es un espacio compartido por varios grupos de investigadores: el del Dr. Horacio Soto, el del Dr. Vasili Spirin (QEPD) y, por afinidad temática, con una importante interacción con otros grupos de este departamento y el de Óptica.

Mientras esto ocurría en el ámbito nacional, “en el CICESE seguimos trabajando con fibra óptica, pero en paralelo también trabajábamos en el espacio libre, aunque con experimentos que no salían del laboratorio, por lo que las distancias eran muy cortas”, según comenta el doctor Arvizu.

Para sacar del laboratorio los subsistemas desarrollados retomó, junto con Ramón Muraoka, un técnico que siempre fue muy hábil para manipular estos componentes, según relata el propio Arturo Arvizu, la idea de salir a los techos del campus para hacer lo que llamó “enlaces didácticos”.

Los primeros entre los edificios de Telemática y Física Aplicada, en el campus del CICESE, como parte de las prácticas que debían hacer sus estudiantes de posgrado. Como algunos de estos estudiantes, sobre todo los de doctorado, eran profesores en la UABC, “comenzamos a hacer enlaces de aquí a la universidad con esta nueva perspectiva. Becarios que venían como parte de los programas del Verano de la Investigación Científica también participaban porque esa es la mejor época del año, a diferencia del invierno, que es cuando llueve y empeoran las condiciones atmosféricas.

“Vimos que la distancia no es muy grande, por eso nos preguntamos: ¿qué es lo que nos queda en línea de vista que esté más lejos del CICESE? Vimos entonces Punta Banda, al extremo sur de la Bahía de Todos Santos, y comenzamos a hacer experimentos hacia allá. Estamos hablando de una distancia de 17 kilómetros, aproximadamente”.

Apuntando al Popo y al Izta

Acumular experiencia e infraestructura conlleva a una sola cosa: querer hacer enlaces cada vez a mayor distancia. Y aquí es donde entra en juego el doctor Celso Gutiérrez Martínez.

“Lo que pasa es que desde hace años tengo colaboración con Celso Gutiérrez, del INAOE, que está en Puebla, y a quien conozco desde que trabajábamos juntos con el doctor Javier Mendieta en el Instituto de Investigaciones Eléctricas, en Cuernavaca. Después que entró al INAOE mantuvimos una relación de trabajo. Antes de la pandemia él venía regularmente una o dos veces por año al CICESE a hacer mediciones en nuestro laboratorio, y algunas veces yo iba para allá a participar en acciones con él. Precisamente en una de sus visitas le mostramos el experimento que estábamos haciendo en Punta Banda y nos dijo que en Puebla podíamos hacerlos a mayor distancia pues desde el INAOE se pueden ver las faldas del Popocatépetl y el Iztaccíhuatl. La UNAM tiene instalados ahí unos equipos de monitoreo de la calidad del aire, con acceso restringido, y nos dijo ‘¿Por qué no vemos si nos dejan instalar equipo y hacemos unos enlaces en Puebla?’ ¡Pues sale, vamos! Esto fue en 2015.”

El asunto era problemático no solo por los 43 kilómetros que implicaba hacer el enlace, sino porque el sitio, llamado Altzomoni, en el Estado de México, está restringido por la UNAM y también por los militares pues hay presencia del narcotráfico en la zona. Luego está el asunto de la mancha urbana, pues Cholula es más grande que la parte sur de Ensenada, y de las milpas y zonas boscosas que había que sortear para instalar y alimentar con energía los equipos. Sin embargo lo más difícil, aunque cueste trabajo creer, fue poder llevar los equipos. “Fue toda una odisea porque teníamos que importar el equipo por estar en zona fronteriza, un equipo que adquirimos y por el cual pagamos un IVA diferente al del resto del país”.

Arturo Arvizu no olvida el primer día que intentaron establecer el enlace: “Estábamos en una colina muy cerca de las faldas del Popocatépetl, y para poder pasar la señal al INAOE teníamos enfrente un árbol que nos estorbaba, ¡y no había manera de librarlo! (jajajajaja). Al día siguiente tuvimos que colocarnos en una parte diferente y ¡así sí lo logramos!

“Hicimos varios enlaces en Puebla que se ven espectaculares. Tenemos videos donde se ve el láser, un haz verde que desde la falda del Iztaccíhuatl apunta hacia Puebla. Ahí pudimos probar muchos de los desarrollos que inicialmente fueron para el SATEX; que nunca salieron del laboratorio y que los fuimos mejorando primero en los enlaces didácticos dentro del CICESE, luego de la UABC al CICESE, y luego de Punta Banda al CICESE. Cuando fuimos a Puebla ya teníamos mucha infraestructura desarrollada”.

El punto verde que se aprecia en las faldas del Iztaccíhuatl es un láser que apunta hacia el INAOE, a 43 kilómetros de distancia. Video cortesía de Arturo Arvizu (CICESE) y Celso Martínez (INAOE)

Aun así el reto era mayúsculo porque el GPS con el que se apunta el láser no tiene la precisión que se requiere. “También es un poco cosa de tanteo, pues se requiere que a quién le estés apuntando logre verte. Una cosa importante es que una vez que encuentras tu objetivo el láser solamente lo verá la persona a quien le estás apuntando; nadie más se va a dar cuenta que estás intentando establecer una comunicación láser, de manera que si no le apuntas bien a esa persona, no hay comunicación. Esa es una ventaja, que es bastante directivo, pero también es una desventaja en el sentido de que si no logras apuntar bien, no vas a poder establecer la comunicación”.

Siguiente objetivo: el desierto

En el ámbito académico, a veces las colaboraciones se cimentan de manera casual: una charla en el receso de un congreso, la sobremesa en una cafetería universitaria o cuando vas y dejas a tus hijos en la escuela. ¿Cuándo dejas a tus hijos en la escuela? Pues sí. Al menos esto fue lo que le ocurrió al doctor Arvizu, pues así fue como conoció al responsable del Departamento de Instrumentación del Instituto de Astronomía en Ensenada, el Dr. Juan Manuel Núñez Alonso.

El grupo de comunicaciones ópticas del CICESE se había reforzado con la incorporación de Joel Santos, quien llegó como posdoctorante al Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones (procedente del INAOE), y después se quedó como investigador.

Pues resulta que Manuel Núñez estudió en Puebla en la misma institución que Joel Santos; resulta también que su área de interés son los sistemas ópticos, y que además su hija estudiaba en la misma escuela que los hijos de Arturo Arvizu, así que de los saludos matutinos pasaron a una invitación formal para que ambos conocieran lo que estaban haciendo en sus respectivas instituciones.

“Lo invité a mi laboratorio y platicamos. Vio los enlaces que hacía y unos días después me comentó que había estado pensando en la posibilidad de hacer un enlace desde la Sierra de San Pedro Mártir, sede del Observatorio Astronómico Nacional”.

Quienes conocen esta sierra saben que hacia el este hay un escarpe muy pronunciado, y que desde ahí se abre el vasto desierto que abarca la Laguna Salada y, más allá, el Golfo de California.

La UNAM había instalado tiempo atrás unas antenas en un rancho cerca de San Felipe llamado El Dorado, e hizo pruebas con radiofrecuencia desde la sierra para que tuvieran internet.

Arturo Arvizu comenta: “Me dijo (Manuel Núñez) que habían hecho esos enlaces y sugirió que hiciéramos unos experimentos con nuestros equipos. Era cosa de conseguir el permiso para instalarlos en San Felipe. Estamos hablando de 53 km, que es mucho. Además, el desierto es lo peor para este tipo de enlaces; es muy difícil que operen en condiciones desérticas. Nosotros hemos ido varias veces ahí, como seis veces, y tres veces hemos tenido éxito y tres no, porque nos han tocado tormentas de arena y sencillamente no se ve el observatorio por el polvo.

“Además el trabajo se tiene que hacer de día porque los astrónomos trabajan de noche. Tenemos cierto horario, a más tardar a las dos de la tarde, porque es cuando se empiezan a despertar los astrónomos y ya no quieren gente extraña.

“Buscar un punto perdido en el desierto es un reto mayúsculo que implica una serie de desafíos. Para poder encontrarnos nos hemos ingeniado utilizando internet, celular o por radio; es lo más parecido que pudimos encontrar a comunicarnos con un satélite”.

Nuevo proyecto con la AEM

A raíz de estas experiencias decidió participar en una convocatoria que lanzó en 2017 la AEM y el CONACYT para desarrollar los subsistemas que se necesitan para establecer un enlace óptico satelital de tierra a un satélite de órbita baja. En la propuesta participaban colegas del CICESE, del INAOE, del Centro de Nanociencias y Nanotecnología y del Instituto de Astronomía de la UNAM, de la UABC, del CETYS Ensenada y del Instituto Tecnológico de Sonora. Teniendo como responsable a Arturo Arvizu, la propuesta fue aceptada y recibió financiación por 1.7 millones de pesos.

- Hay mucha diferencia en hacer un enlace de 53 km en el desierto, que establecer comunicación con un satélite a más de 500 km de distancia. ¿Qué retos implica esto último?

Son muchos, el principal es que le puedas atinar con el láser al satélite a esa distancia. Lo que sí te digo es que es más difícil que (los enlaces) funcionen en tierra, a nivel del mar, por toda la atmósfera que está presente, que a la altura de San Pedro Mártir. Entonces, si lo que ya habíamos desarrollado funcionaba a estas distancias, era de esperarse que en los satélites también pudiera funcionar. Además, para establecer comunicación se cuenta con ayudas, lo que se llaman efemérides. Esto es: todos los satélites tienen enlaces de radio, por lo que primero estableces comunicación por radiofrecuencia y se avisa “ya voy a llegar, ando por tal lugar”. Esto ayuda a saber para dónde vas a apuntar el láser cuando el satélite pase por el horizonte, porque los satélites de órbita baja no son estacionarios sino que se mueven alrededor de una cierta órbita, y cuando pasan “voltean” hacia ti. Aunque a veces no.

El monto del financiamiento permitió desarrollar los subsistemas a un tamaño más grande que su escala real; sus componentes tampoco fueron los que se utilizarían una vez que se implementara el satélite, por ser más caros, pero se cumplió con todas las especificaciones, incluso en la estación terrena (en el INAOE, en Puebla). “Por los montos que manejamos mucho es a nivel prototipo, pero eso nos permite decir que si tenemos el recurso suficiente sí podemos construir un satélite ya con las dimensiones que se requieran. Minimizar el tamaño de los subsistemas que desarrollamos ya no es trabajo; en la actualidad eso ya no es un problema”.

El doctor Arvizu informó que este enlace óptico operará en el infrarrojo, a una frecuencia de 1550 nanómetros en la que “puedes mandar lo que sea. Una de las aplicaciones que se había pensado es, por ejemplo, el satélite con el que nos comunicaríamos podría ser que se comunicara previamente con un avión que haya tomado fotografías del territorio mexicano y las vaciara al satélite. Entonces el satélite cuando pase, como la comunicación óptica es muy rápida, puede bajar fotografías muy rápido, lo que no se puede hacer por radiofrecuencia, porque el enlace es lento”.

Y agrega: “Quisimos dar un paso adelante a lo que se había logrado e incursionar en la comunicación cuántica, que es la comunicación del estado del arte. De hecho, China es el único país que cuenta con un satélite óptico cuántico; lo lanzó en 2018. Es comunicación de muy alta seguridad. Ellos manejan lo que se llama distribución de llave cuántica por satélite. Fue de las cosas que utilizamos para ‘vender’ el proyecto, por eso involucré al doctor Fernando Rojas, quien es experto en mecánica cuántica del Centro de Nanociencias de la UNAM. Ellos trabajan mucho con mecánica cuántica, y así desarrollamos algoritmos para hacer algunos manejos de comunicación cuántica con estos satélites”. Después de todo la tendencia mundial va hacia lo cuántico, considerando que se utiliza muy poca cantidad de luz para expedir información, a diferencia de la comunicación clásica en donde se envía mucha potencia óptica. Las diferencias radican en la manipulación de la información.

Este proyecto de comunicaciones ópticas espaciales se encuentra en la confluencia de dos grandes eras de la civilización moderna: la era de la información y la era espacial, y capitaliza las diferentes potencialidades de las instituciones académicas de la ciudad de Ensenada, con el liderazgo del CICESE, que sigue siendo un actor cada vez más relevante en  la investigación científica y el la educación superior, y Ensenada modelo de aprovechamiento del talento humano en este escenario de la sociedad de la información y el conocimiento.

El proyecto concluyó en 2020, pero el trabajo continúa en el CICESE. “Gracias a estos proyectos hemos podido adquirir tanto infraestructura humana como de laboratorio. He conseguido buen equipamiento, como digitalizadores y procesadores digitales de señales de muy alta frecuencia. Componentes de este tipo son indispensables porque buena parte de lo que hacemos es procesamiento digital de alta velocidad. Mucho del trabajo relacionado con el procesamiento digital de señales y algoritmos para comunicación óptica que se reporta en artículos es procesamiento fuera de línea. Es gente que con un osciloscopio capturan señales y luego las procesan en computadora. Nosotros en el proyecto que dirigí, la idea era más bien que todo eso se hiciera en tiempo real. ¿Por qué? Pues porque te estás comunicando con un satélite y no te va a dar tiempo a que guardes en un osciloscopio, lo lleves a la computadora y lo proceses, sino que tienes que estar haciendo el procesamiento digital en tiempo real. Por eso adquirí la infraestructura para poder hacer las cosas en tiempo real. Nada más que ahora el proyecto se terminó, me quedé con la infraestructura y lamentablemente ahora con la pandemia no tengo flujo de estudiantes”.

Mientras trata de revertir esto que se debe, en parte, a la falta de información sobre el tema (…“los estudiantes se van por otros temas más comerciales, como lo de 5G. Si no lo ven, no se enamoran”), relata cómo, gracias a unos inesperados ahorros que logró al adquirir sus equipos evitando los brokers e intermediarios, pudo comprar un dron de carga.

Se trata de un aparato que puede llevar hasta 5 kilogramos de peso y elevarse varios kilómetros de distancia. “Esa es la parte buena; la parte mala es que se necesita capacitación, licencia de piloto y permiso de la SEDENA para manejarlo fuera del campus. Adquirimos el dron y hemos hecho algunos experimentos con él. Ramón Muraoka nos ha prestado su casa para hacer algunos experimentos porque ahí no tenemos que pedirle permiso a nadie. Desafortunadamente ya no pude capacitar a nadie, o a mí, para poder tener el permiso formal; eso queda pendiente”.

Pero el punto es poder simular que el dron es el satélite y de ahí enviar la comunicación a tierra. “Eso es lo más cercano que se puede tener a un satélite. Entonces sí contamos con infraestructura, pero lo que necesitamos es mano de obra para que nos ayuden con estos sistemas que están en boga en el mundo. Asimismo, las comunicaciones ópticas son el escenario ideal para la transmisión de señales con alta seguridad, con técnicas llamadas ‘criptografía cuántica’, que aprovechan las propiedades cuánticas intrínsecas de los fotones que componen el flujo óptico que se propaga en la fibra o en el espacio libre, proporcionando así una seguridad incondicional contra ciberataques o espionaje en los canales de comunicaciones, lo que es absolutamente necesario en las redes de internet presentes y futuras.

“Actualmente en el Laboratorio de Comunicaciones Fotónicas investigamos teórica y experimentalmente sobre esta importante disciplina, en conjunto con participantes de otros departamentos del CICESE, de la UNAM, UABC y CETYS Ensenada, investigadores y estudiantes que constituimos el grupo OPICS: Óptica e Información Cuántica en Sinergia”, concluyó.

 

Palabras clave: comunicaciones ópticas, espacio libre, Arturo Arvizu, láseres

anterior